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Sensores electroquímicos para detección de contaminantes en agua: el caso particular del arsénico
15-abril-2014
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Figura 1. Componentes de un sensor electroquimico. Credito IPICYT
Por Luis Felipe Cházaro Ruiz (IPICYT)*

Cuando escuchamos la palabra arsénico (As), la mayoría de nosotros no podemos dejar de asociarla con alguna sustancia venenosa. En la época del imperio Romano (600 a. C.), pasando por la Edad Media hasta el Renacimiento, al arsénico se le denominó el "rey de los venenos" porque se le empleaba como una sustancia para deshacerse de personas "incómodas" por motivos políticos o personales.

Independientemente de esos fines y algunos otros para los que comúnmente fue usado en la antigüedad, también se tiene conocimiento de los estudios iniciales sobre su toxicidad en la época de los alquimistas. Paracelso, uno de ellos, fue de los primeros en realizar el estudio de las sustancias químicas tóxicas mediante el establecimiento de la relación entre la dosis (¿qué tanto de la misma consumimos?) y la respuesta que produce (¿cuál es el efecto sobre nosotros?). Este estudio contribuyó al surgimiento de la toxicología; gracias a esta disciplina es que hoy en día se conocen los efectos específicos de daño a la salud que provoca la exposición prolongada al arsénico. Asimismo, gracias a ese conocimiento se ha podido establecer una legislación que regula la presencia y la concentración de este elemento en el agua que consumimos en nuestras actividades cotidianas. ¿Y cómo es que podemos quedar expuestos al arsénico?

Entre las fuentes naturales de arsénico podemos encontrar la actividad volcánica y el agua subterránea (mantos acuíferos) que se encuentra en contacto con rocas o minerales como la arsenopirita o la arsenolita, las cuales contienen altas concentraciones de arsénico. Ambos fenómenos provocan la liberación de arsénico al ambiente y, específicamente, al agua.

Entre las actividades humanas que también pueden dan lugar a esa situación se encuentran la extracción minera y la fundición de metales como el oro (Au), la plata (Ag), el cobre (Cu), plomo (Pb) y zinc (Zn); esto es, la extracción de yacimientos minerales provoca su exposición a la lluvia y al aire, lo cual puede ocasionar la movilización de metales pesados o del arsénico en el ambiente.

Este fenómeno depende de las formas orgánicas e inorgánicas que puede adquirir un elemento químico en la naturaleza, las cuales, a su vez, están determinadas por el estado de oxidación. Por ejemplo, se sabe que la forma As(III) es más tóxica que la estructura As(V). Estos estados de oxidación dependen del medio en el que se encuentre la especie; si se habla de una forma orgánica, esto significa que el As se encuentra interactuando con algún compuesto orgánico proveniente de la materia orgánica de aguas residuales o de un río revuelto después de la lluvia. Está interacción puede favorecer una mayor solubilidad del As en el agua y, por consiguiente, facilitar su transportación hacia otros destinos en el ambiente.

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA, por sus siglas en inglés) establece que el límite máximo permisible de arsénico en agua potable es de 10 microgramos por litro (10 μg L-1 o 10 partes por billón (ppb)). Sin embargo, se estima que la población mundial expuesta a concentraciones que sobrepasan este límite es de alrededor de 50 millones de personas, y esto se debe a que en el planeta existen muchas regiones en donde el agua subterránea presenta altas concentraciones de arsénico de manera natural. En algunos lugares de nuestro país, como en el estado de San Luis Potosí, es posible que esto ocurra en algunos mantos de agua subterránea que pueden representar una fuente de agua para consumo humano.

La presencia del arsénico en agua para consumo humano puede representar un buen ejemplo de la preocupación que existe en relación a los efectos tóxicos de algunas sustancias que se encuentran en el ambiente, lo cual, a su vez, crea la necesidad de medir los niveles de concentración de sustancias contaminantes en aguas residuales y efluentes, e incluso en diferentes etapas de los procesos industriales, de reciclamiento, y en los sitios urbanos, industriales y de actividad agrícola.

En algunos lugares, como las zonas rurales, no es común realizar análisis de rutina del contenido del arsénico en el agua; cualquier concentración de arsénico por arriba de 10 ppb en agua para beber, bañarse o cocinar puede representar un alto riesgo a la salud de la persona que se encuentre expuesta a este elemento a largo plazo.

Debido a esto, se han desarrollado técnicas analíticas que permiten detectar niveles de concentración de arsénico por debajo de lo que marca la EPA. De esta manera, se pone de manifiesto el hecho de que en la actualidad la medición continua de la contaminación ambiental puede recurrir a sensores que proporcionen una respuesta rápida, al mismo tiempo que brindan una alta sensibilidad y que se puedan emplear por largos periodos de tiempo. Los sensores electroquímicos junto con técnicas electroanalíticas pueden contribuir a realizar esta tarea.

La fabricación de un sensor eletroquímico requiere de la elección de un transductor (un conductor eléctrico o electrodo) sobre el cual se coloca un material pre-concentrador. Imaginemos que el agente pre-concentrador es una esponja, la cual tiene la capacidad de absorber cierta cantidad de agua y, de esta manera, incrementar su volumen para permitir su retención. Al absorber al agua también se atrae lo que se encuentra disuelto, por ejemplo, alguna forma del arsénico. En la Figura 1 se ilustran los elementos del sensor electroquímico y la forma cómo puede ser selectivo a un analito en particular.

En este caso, para realizar su detección nos valemos de la posibilidad que existe de cambiar el estado de oxidación del arsénico, como el llevarlo desde una forma oxidada hasta la forma reducida que conocemos como arsénico elemental: As(V)As(III)As(0). Dichos cambios pueden ser detectados a través de una señal eléctrica. Este fenómeno en el campo de la electroquímica puede manifestarse mediante una respuesta en intensidad de corriente eléctrica asociada a la aplicación de un valor específico de potencial eléctrico, el cual a su vez corresponde a la cantidad de energía que se requiere para promover el cambio de un estado de oxidación a otro, por ejemplo As(III)As(0). Además, la intensidad de la corriente es directamente proporcional a la concentración de la especie química que experimenta la transformación.

Prácticamente, la esponja representaría un material con el cual es posible modificar la superficie del electrodo y mejorar sus propiedades analíticas. Entre este tipo de materiales podemos nombrar a aquellos a base de carbón como el grafeno y los nanotubos de carbón, inclusive nanopartículas metálicas. La ventaja de estos materiales radica en que su composición química puede modificarse para adquirir una función específica como la pre-concentración de una forma de arsénico en la superficie del electrodo.

Se espera que el sensor electroquímico con estas características sea capaz de pre-concentrar de manera selectiva al contaminante de interés mientras se encuentra inmerso en una solución en la que se encuentra una mezcla del contaminante junto con otros iones metálicos, por ejemplo Cd(II), Cu(II), Zn(II), etcétera, o algún ión de importancia ambiental como Ca(II) o Mg(II) que de manera natural puede encontrarse en un banco de agua. Además, se espera que la detección se lleve a cabo en tiempo real y, de preferencia, en el sitio de interés. Todos estos aspectos son de interés para quien realiza investigación enfocada a entender el funcionamiento y la posible aplicación del sensor electroquímico.

Referencias

  • Meliker, J. and Nriagu, J. (2007). "Arsenic in drinking water and bladder cancer: review of epidemiological evidence". Trace metals and other contaminants in the environment 9, 551-584.
  • World Health Organization. "Water Sanitation Health: Arsenic in drinking water".
  • United States Environmental Protection Agency (EPA). "Ground Water and Drinking Water".
  • * El Dr. Luis Felipe Cházaro Ruiz es investigador asociado de la División de Ciencias Ambientales en el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica A.C (IPICYT), ubicado en San Luis Potosí, S. L. P.

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